УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТРАКТОВ Российский патент 2002 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, техники связи и оптоэлектроники и может быть использовано в электротехнической промышленности, промышленности средств связи при производстве оптических волокон и волоконно-оптических кабелей, а также при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических трактов.

Известно устройство для диагностики волоконно-оптических трактов, включающее импульсный источник оптического излучения, оптический направленный ответвитель, фотоприемник, усилитель измерительных сигналов, устройство обработки, осциллографический регистратор [1].

Работа устройства заключается в том, что на вход контролируемого волоконно-оптического тракта подают короткий оптический импульс и измеряют параметры импульсных сигналов на выходе фотоприемника, установленного на выходе ответвителя таким образом, что этот фотоприемник принимает оптический сигнал обратного рассеяния. Величина отраженной оптической мощности от неоднородностей определяется амплитудой импульсов оптического сигнала, отраженного от места их расположения. О расстоянии до неоднородности можно судить по величине задержки оптического сигнала. Чем короче измерительный импульс, тем точнее можно определить место расположения локальной неоднородности. С другой стороны, при уменьшении длительности зондирующих импульсов увеличивается их частотный спектр, при увеличении широкополосности узлов устройства уменьшается динамический диапазон измерений и увеличивается сложность и стоимость устройства. Устройство имеет небольшой динамический диапазон измерений и не позволяет проводить измерение потерь мощности на отражение.

Известно устройство для диагностики волоконно-оптических трактов, позволяющее измерять расстояние до места обрыва, наиболее близкое по своей технической сущности к изобретению [2], содержащее:
- источник модулированного потока оптического излучения, управляемый блоком обратной связи, излучение которого через ответвитель направляется на вход измеряемого оптического волокна;
- фотоприемник, установленный на выходе ответвителя и принимающий излучение обратного рассеяния;
- резонансный усилитель с перестраиваемой полосой пропускания, вход которого соединен с выходом фотоприемника, один выход соединен с измерителем частоты, а другой с входом блока обратной связи.

Устройство позволяет измерять расстояние до места обрыва оптического волокна по частоте автоколебаний, для которой выполняются амплитудные и фазовые условия самовозбуждения системы. Устройство не использует сверхширокополосных измерительных сигналов.

Недостатками устройства являются:
- возможность возбуждения автоколебаний на различных гармониках (гармоники могут быть возбуждены сигналом, отраженным от входного торца оптического волокна);
- при наличии нескольких неоднородностей, в волокне появится дополнительный фазовый сдвиг сигнала, влияющий на условия самовозбуждения и приводящий к увеличению погрешности измерения;
- устройство не позволяет измерять мощность оптического сигнала, отразившуюся от неоднородности.

Предложенное устройство решает задачу повышения точности и однозначности измерений расстояния до мест расположения неоднородностей, а также обеспечение возможности измерения мощности, отразившейся от локальных неоднородностей волокна, и потерь на отражение от этих неоднородностей.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство введены два микроконтроллера, цифровой индикатор, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, расширитель импульсов, пульт управления, формирователь импульсов, программируемый аттенюатор, компаратор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, второй фотоприемник, оптический соединитель, причем оптический вход второго фотоприемника подключен к выходу контролируемого отрезка оптического волокна через оптический соединитель, один из входов порта ввода первого микроконтроллера связан с выходами фотоприемников через коммутатор, программируемый аттенюатор, управляемые от второго микроконтроллера, и компаратор, один из портов ввода первого микроконтроллера соединен с одним из портов вывода второго микроконтроллера, один из выходов порта вывода первого микроконтроллера соединен с одним из входов порта ввода второго микроконтроллера, а другой выход соединен с управляющим входом источника излучения через формирователь импульсов, аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу аттенюатора через расширитель импульсов, управляемый от второго микроконтроллера, а цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен с портом ввода второго микроконтроллера, другие порты ввода-вывода второго микроконтроллера соединены с цифровым индикатором, пультом управления, перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для тестирования волоконно-оптических трактов.

Устройство состоит из двух микроконтроллеров 1 и 2, формирователя импульсов 3, управляющего полупроводниковым источником излучения 4, оптического ответвителя 5, оптического соединителя 6, через который производится стыковка с измеряемым отрезком оптического волокна 7, фотоприемника 8, излучение на который поступает с выхода разветвителя 5, оптического соединителя 9, через который излучение из выходного торца контролируемого отрезка оптического волокна направляется на оптический вход второго фотоприемника 10, коммутатора 11, программируемого аттенюатора 12, компаратора 13, расширителя импульсов 14, аналого-цифрового преобразователя 15, пульта управления 16, цифрового индикатора 17 и перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства 18.

Устройство работает следующим образом.

В резидентную память программ микроконтроллеров записываются инструкции (пользовательские программы). При включении питания прибора программы, записанные в памяти программ, микроконтроллеров 1 и 2 начинают выполняться. На фиг. 2 представлен aлгоритм программы микроконтроллера 1, на фиг.3 и 4 - алгоритм программы микроконтроллера 2, на фиг.5 - алгоритм обработки прерывания от наличия сигнала на тестевом входе микроконтроллера 2, на фиг.6 - алгоритм обработки прерывания от переполнения таймера микроконтроллера 2.

Микроконтроллер 1 при включении напряжения питания очищает рабочие регистры и производит чтение кода числа пропускаемых импульсов по сигналу "Стоп" от 2-го микроконтроллера. После чтения кода вырабатывается сигнал приема управляющего кода, активный до тех пор, пока не будет снят сигнал "Стоп". На одной из линий порта вывода микроконтроллер вырабатывает импульсное напряжение, поступающее на вход формирователя импульсов 3, генерирующего импульс тока для накачки полупроводникового источника излучения 4. Излучатель 4 преобразует его в оптический импульс излучения и через ответвитель 5 и оптический соединитель 6 направляет на вход измеряемого оптического волокна 7. Излучение обратного рассеяния при помощи ответвителя 5 направляется на оптический вход фотоприемника 8. Выходной торец оптического волокна, если он доступен, через оптический соединитель 9 подключается к оптическому входу второго фотоприемника 10. Фотоприемник 10 регистрирует оптическую мощность, излучаемую выходным полюсом оптического волокна контролируемого кабеля. Электрические выходы фотоприемников подключаются к входу программируемого аттенюатора 12 через коммутатор 11, управляемый от второго микроконтроллера.

Первым включается режим калибровки. При этом выход фотоприемника 10 коммутатором 11 под управлением 2-го микроконтроллера подключается ко входу программируемого аттенюатора 12, затухание которого задается таким образом, чтобы сигнал был в допустимой зоне. На выходе аттенюатора установлены компаратор, выход которого подключен к одному из входов первого микроконтроллера, и расширитель импульсов. Компаратор обеспечивает автоколебательный процесс. Расширитель импульсов сохраняет амплитудное значение короткого измерительного импульса на время преобразования аналого-цифрового преобразователя. После регистрации цифрового измерительного сигнала второй микроконтроллер производит сброс расширителя специальным управляющим сигналом. В цифровом виде измеренное напряжение и затухание аттенюатора запоминаются в резидентной памяти данных микроконтроллера.

При недоступности выходного торца кабеля или при обрывах оптического волокна устанавливается флаг "Калибровка отсутствует", в случае успешной калибровки флаг сбрасывается.

После завершения калибровки прибор переключается в режим измерения. Первый микроконтроллер анализирует выход компаратора 13, вход которого подключается к выходу аттенюатора 12. При наличии сигнала на выходе компаратора анализируется регистр, в котором хранится число пропускаемых импульсов. После пропуска заданного числа импульсов инкрементируется счетчик импульсов, в качестве которого используется один из рабочих регистров микропроцессора. При переполнении счетчика микроконтроллер вырабатывает сигнал, направляемый на тестовый вход второго микроконтроллера. Одновременно 1-й микроконтроллер анализирует сигнал "Стоп", поступающий от второго микроконтроллера. При активном сигнале "Стоп" микроконтроллер производит чтение управляющей команды от 2-го микроконтроллера, в которой указано число импульсов, приходящих от фотоприемника не требующих регистрации.

Таким образом, 1-й микроконтроллер является звеном автоколебательного процесса. Период следования импульсов определяется из формулы:
T = k•t_c+t_d+2•τ, (1)
где k - количество инструкций в цикле; t_c - время выполнения одной инструкции; t_d - задержка оптического сигнала в узлах устройства за счет расстояния от вывода микроконтроллера до источника излучения, от выхода источника излучения до торца измеряемого оптического волокна и от торца измеряемого волокна до вывода микроконтроллера, подключенного к выходу фотоприемника через компаратор и коммутатор; τ - задержка оптического сигнала в измеряемом оптическом волокне.

Если размер счетчика 1 байт (максимальное число, которое может храниться в регистре, имеющем размер 1 байт, равно 256), то полное время выполнения одного цикла накопления счетчика будет равно:
Т_ц=256•Т+k_п•t_c, (2)
где Т - период следования измерительных импульсов, определяемый по формуле (1), k_п - количество инструкций, обслуживающих переполнение счетчика; t_c - время выполнения одной инструкции;
Микроконтроллер 2 ожидает сигналы переполнения счетчика-накопителя первого микроконтроллера и накапливает их в своих регистрах памяти данных, одновременно фиксируя время накопления при помощи встроенного таймера, при этом:
t_ф=m•T_ц=m•(256•T+k_пt_с), (3)
здесь t_ф - фактическое время накопления, m - количество переполнении счетчика-накопителя микроконтроллера 1.

С учетом формулы (1):
t_ф= m•(256•(k•t_c+t_d+2•τ)+k_п•t_c) (4)
Известно, что задержка оптического сигнала в волокне определяет его длину по формуле:

где τ - задержка оптического сигнала в измеряемом оптическом волокне; с - скорость света в вакууме; n_с - показатель преломления сердцевины волокна.

Перепишем формулу (4) в следующем виде:

Подставляя формулу (6) в (5) получим:

Таким образом, по периоду следования импульсов можно рассчитать расстояние до места неоднородности. Эту задачу решает второй микроконтроллер. Амплитуда отраженных сигналов измеряется так же, как при проведении калибровки. Результаты расчета расстояния до места неоднородности и запомненные значения отраженных сигналов могут быть выведены на цифровой индикатор (17), записаны в перепрограммируемом запоминающем устройстве (18) или выведены на внешний компьютер по командам оператора с пульта управления (16). При успешной калибровке 2-й микроконтроллер рассчитывает для локальных мест неоднородностей потери на отражение путем деления уровня отраженного сигнала на сигнал, запомненный при калибровке. Эта информация также выводится на внешние устройства.

Нами использовался микроконтроллер SX18AC фирмы Scenix Semiconductor. Микроконтроллер имеет Гарвардскую архитектуру и конвейерное выполнение программ [3]. При частоте задающего генератора 150 МГц, длительность выполнения одной инструкции равна 6,7 нc. Максимальный выходной ток линий вывода микроконтроллера составляет величину 30 мА, что вполне достаточно для накачки современных быстродействующих лазерных полупроводниковых излучателей.

Рассмотрим часть программы микроконтроллера, касающуюся формирования измерительных сигналов (см. в конце описания).

Как видно из фрагмента программы, количество инструкций по заполнению счетчика-накопителя k=8, количество инструкций по обслуживанию формирования сигнала переполнения счетчика накопителя k_п=4. Время выполнения одной инструкции, как было показано выше, составляет t_c=6,7 нс. Задержку оптического сигнала в узлах устройства, а также за счет расстояния от вывода микроконтроллера до источника излучения, от выхода источника излучения до торца измеряемого оптического волокна и от торца измеряемого волокна до вывода микроконтроллера, примем t_d=3 нс. Мертвая зона прибора, наличие которой определяется временем выполнения инструкции по тестированию сигнала фотоприемника, составляет τ_мин= t_c= 6,7 нс (1,35м). Подставляя значения параметров в формулу (1), получим минимальное значение периода следования тестирующих оптическое волокно импульсов:

Максимальная частота следования импульсов равна F_макс=13,4 МГц.

В качестве второго микроконтроллера использовался микроконтроллер фирмы Atmel - АТ89С51-20. Микроконтроллер имеет развитую систему команд, два встроенных таймера реального времени, три 8-разрядных порта ввода - вывода. Тактовая частота микропроцессора 20 МГц. Дискрет отсчета времени при использовании встроенного тактового генератора составляет 50 нc.

Произведем оценку погрешности измерения длины оптического волокна предложенным устройством. С учетом возможных погрешностей формула (6) примет следующий вид:

где ΔL,Δt_ф,Δt_c - погрешности измерения соответственно длины оптического волокна, времени накопления, времени выполнения одной инструкции.

Из формулы (8) с учетом формулы (7) можно выделить выражение для определения погрешности измерения длины волокна:

Подставляя значения параметров, найдем, что погрешность измерения длины, обусловленная нестабильностью кварцевых задающих генераторов, составляет величину ΔL = ±0,019 м при m=1, ΔL = ±0,00098 м при m=200, ΔL = ±2•10^-5 м при m= 1000. Это на несколько порядков меньше, чем разрешение устройства, обусловленное временем выполнения машинного цикла, обнаруживающего сигнал фотоприемника. При частоте тактового генератора 150 МГц разрешение прибора составляет 1,35 м. Если использовать микроконтроллер фирмы AMD - Athlon, с тактовой частотой 750 МГц, можно увеличить разрешение прибора при измерении длины оптических волокон до 0,26 м.

Источники информации
1. Метод и устройство для оптической рефлектометрии волокон во временной области. GB пат. 2167261 А от 16.11.84 г., G 01 S 17/10, G 02 В 6/00.

2. Гудков Г.Б., Дохикян Р.Г., Каринский С.С., Рождественский В.В., Шаталов Ф. А. Исследование оптической рефлектометрии в частотной области. Специальная техника средств связи; сер. Технология производства и оборудование, стр.73-76.

3. Современные микроконтроллеры. Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. М.: Аким, 1998 г.

Изобретение относится к измерительной технике, технике связи и оптоэлектронике и может быть использовано при производстве волоконно-оптических кабелей и при эксплуатации волоконно-оптических трактов. Устройство содержит излучатель, ответвитель, два микроконтроллера, цифровой индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство, расширитель импульсов, пульт управления, формирователь импульсов, программируемый аттенюатор, компаратор, аналого-цифровой преобразователь, два фотоприемника, оптический соединитель. Оптический вход второго фотоприемника подключен к выходу контролируемого отрезка оптического волокна через оптический соединитель, один из входов порта ввода первого микроконтроллера связан с выходом первого фотоприемника через коммутатор, программируемый аттенюатор, управляемые от второго микроконтроллера, и компаратор, один из портов ввода первого микроконтроллера соединен с одним из портов вывода второго микроконтроллера. Один из выходов порта первого микроконтроллера соединен с одним из входов порта ввода второго микроконтроллера, а другой выход соединен с управляющим входом источника излучения через формирователь импульсов, аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу аттенюатора через расширитель импульсов, управляемый от второго микроконтроллера цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен с портом ввода второго микроконтроллера, другие порты ввода-вывода второго микроконтроллера соединены с цифровым индикатором, пультом управления, перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством. Повышена точность и однозначность измерений расстояния до мест расположения неоднородностей, обеспечена возможность измерения мощности, отразившейся от локальных неоднородностей волокна, и потерь на отражение от этих неоднородностей. 6 ил.

Устройство диагностики волоконно-оптических трактов, содержащее последовательно установленные источник излучения, направленный ответвитель, один выход которого соединен с оптическим входом фотоприемника, а второй - с устройством ввода излучения в контролируемый отрезок оптического волокна, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения измерительных возможностей в него введены два микроконтроллера, цифровой индикатор, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, расширитель импульсов, пульт управления, формирователь импульсов, программируемый аттенюатор, компаратор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, второй фотоприемник, оптический соединитель, причем оптический вход второго фотоприемника подключен к выходу контролируемого отрезка оптического волокна через оптический соединитель, один из входов порта ввода первого микроконтроллера связан с выходами фотоприемников через коммутатор, программируемый аттенюатор, управляемые от второго микроконтроллера, и компаратор, один из портов ввода первого микроконтроллера соединен с одним из портов вывода второго микроконтроллера, один из выходов порта вывода первого микроконтроллера соединен с одним из входов порта ввода второго микроконтроллера, а другой выход соединен с управляющим входом источника излучения через формирователь импульсов, аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу аттенюатора через расширитель импульсов, управляемый от второго микроконтроллера, а цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен с портом ввода второго микроконтроллера, другие порты ввода-вывода второго микроконтроллера соединены с цифровым индикатором, пультом управления, перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством.